三相境界

三相境界（TPB ）は、相境界の幾何学的クラスであり、3つの異なる相が接触する場所です。TPBの簡単な例としては、陸、空、海が出会って、太陽、風、波のエネルギーによって駆動され、高度な生物多様性を支えることができるエネルギーの場所を作り出す海岸線が挙げられます。この概念は、燃料電池やバッテリーの電極の説明において特に重要です。例えば燃料電池の場合、3つの相は、イオン伝導体（電解質）、電子伝導体、および気体または液体の燃料分子を輸送する仮想的な「多孔性」相です。燃料電池が電気を生成するために使用する電気化学反応は、これらの3つの相の存在下で発生します。したがって、三相境界は電極内の電気化学的に活性なサイトです。

固体酸化物燃料電池(SOFC) のカソードで起こる酸素還元反応は、次のように表すことができます。

お
₂（ガス）+ 4 e ⁻（電極） → 2 O²⁻
（電解質）

様々なメカニズムによってこれらの反応物がTPBに運ばれ、反応が進行します。^[1]この反応の速度論はセル性能を制限する要因の1つであるため、TPBの密度を高めると反応速度が上がり、セル性能が向上します。^[2]同様に、TPBの密度は、セルのアノード側で酸素イオンと燃料の間で起こる酸化反応の速度論にも影響を与えます。各TPBとの間の輸送も速度論に影響を与えるため、反応物と生成物を活性領域に到達させる経路の最適化も重要な考慮事項です。燃料電池の研究者は、セルの活性を特性評価する方法として、FIB-SEMやX線ナノトモグラフィーなどの3Dイメージング技術を使用してTPB密度を測定することが増えています。 ^[3]^[4]最近、浸透などの処理技術によってTPB密度が大幅に増加することが示されており、効率が向上し、潜在的にSOFCの商業的実現可能性が高まります。^[5]

ユニット

3 つの相のみからなるシステムでは、三相境界は幾何学的に閉じたループの線状特徴であり、他の TPB と交差せず、それ自体ではネットワークを形成しません。最も単純な TPB の形状は、自由空間に浮かぶ異なる相の任意のサイズの 2 つの交差する球体を使用して簡単に視覚化できます (図 3 ^[6]を参照)。これにより、球体の交差点に円形の TPB が作成されます。ただし、電極では、TPB ループは通常、3 次元(3D) で非常に複雑で確率的な形状になります。したがって、TPB は長さの単位を持ちます。電極の場合、TPB の長さを TPB 密度に正規化すると、電極、したがって電極のサイズに依存しないセルの性能を説明する重要な微細構造パラメータが得られます。TPB 密度は通常、体積密度で、典型的な電極の微細構造の特徴のスケールにより、通常は μm ⁻² (つまりμm /μm ^{3 ) の 2 乗長さの逆数を単位として測定されます。}

アクティブTPB

三相境界は、それぞれの「相」が反応種の供給源と到達点に接続され、電気化学反応が完結する場合にのみ電気化学的に活性となります。活性三相境界は、しばしばパーコレーション三相境界と呼ばれます。例えば、SOFCのNi-YSZアノードサーメットでは、三相境界は以下のような条件を満たしている必要があります。

陽極ガス入口から水素にアクセスし、細孔相ネットワークを介して陽極ガス出口に蒸気を排出することができる。
電解質YSZ電解質相ネットワークから輸送された酸素イオンにアクセスできる
TPBから電子伝導ニッケルネットワークを介してアノード電流コレクターに電子を伝導できる

TPB 密度を高めることに加えて、電極/セル性能を向上させるために、活性 TPB 密度と総 TPB 密度の比率を高めることが明らかに有利です。

参照

燃料電池用語集

参考文献

^ フェーリバッハ、ジョゼフ D.ライアン・オヘイア (2009 年 1 月)。「固体酸化物カソードの三相境界」。応用数学に関する SIAM ジャーナル。70 (2): 510–530。土井:10.1137/080722667。ISSN 0036-1399。S2CID 17872247。
^ O'Hayre, Ryan; Prinz, Fritz B. (2004). 「空気／白金／ナフィオン三相界面：特性、スケーリング、そして燃料電池への影響」. Journal of the Electrochemical Society . 151 (5): A756. Bibcode :2004JElS..151A.756O. doi :10.1149/1.1701868.
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[1] フェーリバッハ、ジョゼフ D.ライアン・オヘイア (2009 年 1 月)。「固体酸化物カソードの三相境界」。応用数学に関する SIAM ジャーナル。70 (2): 510–530。土井:10.1137/080722667。ISSN 0036-1399。S2CID 17872247。

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[4] Song, Bowen; Ruiz-Trejo, Enrique; Bertei, Antonio; Brandon, Nigel P. (2018年1月). 「酸化還元サイクリングにおけるNi-YSZアノードの劣化の定量化」. Journal of Power Sources . 374 : 61– 68. Bibcode :2018JPS...374...61S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.11.024 . hdl : 10044/1/53328 .

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[6] Jørgensen, PS; Hansen, KV; Larsen, R.; Bowen, JR (2010-12-15). 「三次元における三相材料システムの高精度界面特性評価」Journal of Power Sources . 195 (24): 8168– 8176. Bibcode :2010JPS...195.8168J. doi :10.1016/j.jpowsour.2010.06.083.